湿润的火星有点“酸”

撰文｜萨拉·辛普森（Sarah Simpson）

翻译｜刘鑫华

如今的火星一片荒凉，红色的表面沙石裸露，死寂一片。但谁能想到，在10亿年前甚至更早之前，火星却是一个湿润的星球。那时候温室气体包裹着火星，由此产生的温室效应造就了火星潮湿的环境。科学家们猜想，除了二氧化碳，二氧化硫也曾“现身”火星大气，为温室效应推波助澜。

在火星上，由潮湿环境留下的痕迹比比皆是：冲刷形成的深河谷、辽阔的三角洲，还有广泛分布的海洋蒸发残迹。这些线索让许多专家深信，在10亿年甚至更早之前，这颗红色星球的大部分地区曾经被液态水覆盖。不过，科学家的大部分努力都是为了解释，曾经宜人的火星气候为何会变得如此干燥。今天的火星寒冷而干燥，如果过去真的存在湿润气候，火星就必须拥有一个能够有效产生温室效应的大气来维持这一气候。火山喷发可能会形成厚厚一层二氧化碳吸热层，把年轻的火星紧紧包裹起来，但是火星气候变化模型一次又一次表明，仅凭二氧化碳的升温作用，还不足以让火星表面的温度维持在冰点以上。

今天的火星土壤中普遍含有硫化物，受到这一惊人发现的启迪，科学家们开始猜想，过去的火星大气中除了二氧化碳，也许还存在另外一种温室气体——二氧化硫。

与二氧化碳类似，二氧化硫也是火山喷发时经常释放的一种气体，而在火星仍然年轻的时候，火山喷发非常频繁。美国哈佛大学的地球化学家丹尼尔·施拉格（Daniel P. Schrag）解释，早期的火星大气中，只要存在万分之一甚至十万分之一的二氧化硫，就可以助温室效应一臂之力，让这颗红色行星保持湿润。

被火星探测车的车轮翻起的土壤中存在含硫矿物（白色），它们只能在有水的环境中形成。

这样的浓度听起来似乎不高，但是对于许多气体来讲，即使要在大气中维持很低的浓度也非常困难。在地球上，二氧化硫只要进入大气，几乎立刻就会和氧气结合形成硫酸盐，不能造成显著的长期增温效应。不过，早期火星大气中可能根本没有氧气，因此二氧化硫在大气中停留的时间应该要长得多。

施拉格说：“如果把大气中的氧气全部拿走，这将是个影响深远的变化，整个大气的运转都会有明显的不同。”按照施拉格及其同事的说法，这种差异还暗示，二氧化硫在火星水循环中扮演着重要角色——这也就解决了火星上的另一道气候难题：石灰岩等碳酸盐岩的缺乏。

施拉格领导的课题组认为，在早期的火星上，大部分二氧化硫都会和大气中的水滴结合，以硫酸雨的形式落到火星表面，而不像地球上那样直接转化为硫酸盐。酸雨应该会抑制火星上石灰岩和其他碳酸盐岩的形成。

在地球上，富含二氧化碳的潮湿大气会自然形成碳酸盐岩，因此研究人员曾经推测，火星上也应该到处都有碳酸盐岩。在数百万年的时间里，这种岩石形成过程会把早期火山喷出的绝大部分二氧化碳束缚起来，从而阻碍了二氧化碳在大气中的积累。二氧化硫可以抑制早期火星上的这种二氧化碳束缚过程，迫使更多二氧化碳逗留在大气之中——施拉格指出，这是二氧化硫增强温室效应的另一种方法。

寻找亚硫酸盐

如果二氧化硫使早期火星保持温暖，就像这个新假说所猜测的那样，一种被称为亚硫酸盐的矿物，就会在长期存在地表水的地方形成。目前，火星上还没有发现亚硫酸盐，也许这是因为没有人去寻找它们。“好奇号”火星探测车，配备了精良的装备来搜寻这种矿物。这辆探测车是第一个携带X射线衍射仪着陆火星的探测器。这台设备可以扫描并辨认探测车遇到的任何矿物的晶体结构。

一些科学家质疑，二氧化硫是不是真的能够胜任改变气候的重任。美国宾夕法尼亚州立大学的大气化学家詹姆斯·卡斯廷（James F. Kasting）指出，就算大气中没有氧气，二氧化硫也极不稳定，那么阳光中的紫外线辐射就能轻易分解二氧化硫分子。地球早期气候经常被用来与火星早期进行比较，在卡斯廷为地球早期气候建立的计算机模型中，阳光分解二氧化硫的过程使这种气体的浓度只能达到施拉格及其同事描述量的千分之一。卡斯廷说：“也许某些方法可以让他们的想法具有可行性，但必须先建立一个详尽的气候模型，才能说服我和其他持怀疑态度的人相信他们的观点。”

施拉格承认具体细节还不清楚，但他引用了其他研究人员的估算结果——早期火星上的火山可能喷发了足够的二氧化硫，从而抵消了它们的光化分解。更早的研究也表明，浓厚的二氧化碳大气能够有效散射大部分破坏性的紫外线辐射——这是早期火星上二氧化碳和二氧化硫之间相互助益的又一个明显例证。

卡斯廷认为二氧化硫对气候的反馈，不能让早期火星和地球一样温暖。不过他也承认，二氧化硫的浓度有可能达到某种程度，足以使火星的部分表面解冻，甚至产生降水，冲刷出河谷。

施拉格没有反驳这种观点。他认为：“早期火星上到底是覆盖着一大片海洋，还是散布着一些湖泊，甚至仅仅存在少量池塘，对我们的假设都不会有什么影响。温暖并不意味着要像亚马孙河流域那样湿热，只要像冰岛一样‘温暖’，就足以在火星上形成那些河谷了。”就二氧化硫的量而言，只要一丁点儿就行了。